1、輝光放電

通常把在電場(chǎng)作用下氣體被擊穿而導(dǎo)電的物理現(xiàn)象稱之為氣體放電。氣體放電有“輝光放電”和“弧光放電”兩種形式。輝光放電又分為“正常輝光放電”與“異常輝光放電”兩種，它們是磁控濺射鍍膜工藝過程中產(chǎn)生等離子體的基本環(huán)節(jié)。

輝光放電(或異常輝光放電)可以由直流或脈沖直流靶電源通過氣體放電形成,也可以用交流(矩形波雙極脈沖中頻電源、正弦波中頻與射頻)靶電源通過真空室內(nèi)的氣體放電產(chǎn)生。

氣體放電時(shí)，充什么樣的工作氣體、氣壓的高低、電流密度的大小、電場(chǎng)與磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布與高低、電極的不同材質(zhì)、形狀和位置特性等多種因素都會(huì)影響到放電的過程和性質(zhì)，也會(huì)影響到放電時(shí)輻射光的性質(zhì)和顏色。

(1)直流輝光放電

①在陰-陽(yáng)極間加上直流電壓時(shí)，腔體內(nèi)工作氣體中剩余的電子和離子在電場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng)，于是電流從零開始增加;

②當(dāng)極間電壓足夠大時(shí)，所有的帶電離子都可以到達(dá)各自電極，這時(shí)電流達(dá)到某一*大值(即飽和值);

③繼續(xù)提高電壓，導(dǎo)致帶電離子的增加，放電電流隨之上升;當(dāng)電極間的放電電壓大于某一臨界值(點(diǎn)火起輝電壓)時(shí)，放電電流會(huì)突然迅速上升，陰-陽(yáng)極間電壓陡降并維持在一個(gè)較低的穩(wěn)定值上。工作氣體被擊穿、電離，并產(chǎn)生等離子體和自持輝光放電，這就是“湯生放電”的基本過程，又稱為小電流正常輝光放電。

④磁控靶的陰極接靶電源負(fù)極，陽(yáng)極接靶電源正極，進(jìn)入正常濺射時(shí)，一定是在氣體放電伏-安特性曲線中的“異常輝光放電區(qū)段” 運(yùn)行。其特點(diǎn)是，隨著調(diào)節(jié)電源輸出的磁控靶工作電壓的增加，濺射電流也應(yīng)同步緩慢上升。

(2)脈沖直流輝光放電

脈沖或正弦半波中頻靶電源的單個(gè)脈沖的氣體放電應(yīng)與直流氣體放電伏-安特性曲線異常輝光放電段及之前段的變化規(guī)律相符。可以將其視為氣體放電伏-安特性在單個(gè)脈沖的放電中的復(fù)現(xiàn)。脈沖直流靶電源在脈沖期間起輝濺射，在脈沖間隙自然滅輝(因頻率較高，肉眼難以分辨)。

濺射靶起輝放電后，當(dāng)電源的輸出脈沖的重復(fù)頻率足夠高時(shí)，由于真空腔體內(nèi)的導(dǎo)電離子還沒有完全被中和完畢，**個(gè)(以后)重復(fù)脈沖的復(fù)輝電壓與濺射靶的工作電壓接近或相同。當(dāng)電源輸出脈沖的重復(fù)頻率很低(例如幾百HZ以下)或滅弧時(shí)間過長(zhǎng)(大于100ms以上)，濺射靶起輝放電后，由于真空腔體內(nèi)的導(dǎo)電離子已基本被中和掉，**個(gè)(以后)重復(fù)脈沖的復(fù)輝電壓恢復(fù)至較高數(shù)值，與點(diǎn)火起輝時(shí)的高電壓接近或相同。

2、等離子體

①在真空磁控濺射鍍膜技術(shù)中的等離子體，一般是電場(chǎng)作用下通過工作氣體放電形成的。構(gòu)成分子的原子獲得足夠大的的動(dòng)能，開始彼此分離，原子的外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，失去電子的原子變成正離子。這一過程叫電離。等離子體是一種電離氣體，是離子、電子和高能原子等的集合體;正離子和電子總是成對(duì)的出現(xiàn)，總數(shù)大致相等，整體呈準(zhǔn)電中性，它是一種由帶電粒子組成的電離狀態(tài)，稱為物質(zhì)的第四態(tài)-等離子態(tài)。

②對(duì)氣體放電形成等離子體施加電壓或電場(chǎng)，伴隨導(dǎo)電離子、粒子、電子等的移動(dòng)，在等離子體中會(huì)流過電流，這就是等離子體的導(dǎo)電性。

③在氣相沉積過程中，工作氣體和靶材金屬原子被高能電子撞擊電離為由電子、氣體離子和金屬離子等導(dǎo)電粒子組成的等離子體。

3、氣體與靶材離子的復(fù)合

①氣體電離產(chǎn)生的電子經(jīng)數(shù)次碰撞后，能量逐漸降低，逐步遠(yuǎn)離靶面;一部分以很低的能量飛落在真空室內(nèi)壁(即靶電源陽(yáng)極)上；另一部分與遷移、穿越等離子體區(qū)的氣體或金屬的正離子復(fù)合成中性分子，這種帶電粒子的消失現(xiàn)象又稱為“消電離”。

②工作氣體的電離與靶材的的離化;正離子與電子與正負(fù)帶電粒子的復(fù)合現(xiàn)象，使真空腔體內(nèi)等離子體處于上述不斷發(fā)生的電離、離化與復(fù)合(消電離)的動(dòng)態(tài)平衡之中。

4、激發(fā)態(tài)原子的發(fā)光現(xiàn)象

①眾多的常態(tài)原子中的電子在被碰撞吸收了入射電子的能量后，原子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，成為激發(fā)態(tài)原子。激發(fā)態(tài)原子是不穩(wěn)定的，會(huì)在10-7~10-8S內(nèi)會(huì)放出所得能量, 回復(fù)到低能級(jí)基態(tài)時(shí)并發(fā)射光子，以發(fā)光的形式釋放多余能量，在真空磁控濺射過程中，我們可以看到靶材原子與氣體原子的回復(fù)發(fā)光現(xiàn)象。

②靶材原子與氣體原子獲能后，在靶面完成濺射的同時(shí), 形成放電輝光和光圈;氣體放電發(fā)出的特征光的顏色和深淺，與工作氣體和靶材原子的種類、壓力和放電電流大小有關(guān);電流大小或者工作氣體壓力不同，放電輝光和光圈的顏色和深淺程度均有一定程度的變化和差別。例如：

氬氣放電 → 淡紫藍(lán)色光；

氮?dú)夥烹?/span> → 粉紅光色；

氦氣放電 → 淡黃到橙；

氖氣放電 → 暗紅到橙；

氪氣放電 → 白或灰,低壓時(shí)綠；

氙氣放電 → 藍(lán)白或藍(lán)灰。

③氣體放電特征光的顏色還與陰極濺射靶的材料有關(guān)。例如：

氬氣電離放電，銅靶原子被濺射出來 → 發(fā)出綠色泛光；

氬氣電離放電，鋁靶原子被濺射出來 → 發(fā)出藍(lán)白色泛光；

氬氣電離放電，鈦靶原子被濺射出來 → 發(fā)出蔚藍(lán)色泛光；

氬氣電離放電，鎳靶原子被濺射出來 → 發(fā)出淺黃偏粉紅泛光；

氬氣電離放電，鉻靶原子被濺射出來 → 發(fā)出淺草綠色泛光；

氬氣電離放電，鈦靶通氮?dú)夥磻?yīng)沉積生成氮化鈦 → 發(fā)出櫻紅色泛光；

氬氣電離放電，硅靶通氮?dú)夥磻?yīng)沉積生成氮化硅 → 粉紅(桃紅)色泛光。

④在磁控濺射鍍膜的工藝試驗(yàn)過程中，磁控靶前發(fā)出了某種顏色的特征泛光，說明該種靶材離子的存在，特征泛光的亮度和強(qiáng)度可以間接反映出該種靶材離子被濺射出來的相對(duì)數(shù)量。人們常以磁控靶前氣體放電發(fā)光的顏色的不同作為某種靶材離子是否被濺射出來了的重要判據(jù)之一。